DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2026.1711698
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41743838
تاريخ النشر: 2026-02-10
المؤلف: Raminta Vaičiulevičiūtė وآخرون
الموضوع الرئيسي: هندسة الأنسجة والطب التجديدي
نظرة عامة
تمثل الألياف النانوية المنسوجة بالكهرباء طريقًا واعدًا لهندسة الأنسجة القلبية، حيث تحاكي بشكل فعال بنية مصفوفة القلب خارج الخلية الأصلية (ECM). تسلط هذه المراجعة الضوء على المعلمات التصميمية الرئيسية التي تؤثر على وظيفة ونضوج خلايا القلب (CM) على هذه الدعائم، مثل قطر الألياف، وتركيب المواد، والمحاذاة، وبنية المسام. ومن الجدير بالذكر أن التقدم في البوليمرات الموصلة والمواد الهجينة أظهر إمكانيات في تعزيز الترابط الكهربائي ونضوج خلايا القلب المستمدة من الخلايا الجذعية. ومع ذلك، لا تزال التحديات قائمة، خاصة في تحقيق النضوج الكامل لـ CMs، لا سيما فيما يتعلق بالتعامل مع الكالسيوم والخصائص الأيضية.
تؤكد المراجعة أنه بينما تقدم الدعائم البيوميميتية والألياف النانوية المنسوجة بالكهرباء قدرات كبيرة لزراعة CMs وهندسة الأنسجة القلبية، فإن الترجمة السريرية الناجحة تتطلب تحسينًا دقيقًا لعوامل التصميم. تتراوح أقطار الألياف المثالية من 200 إلى 400 نانومتر، مع تفضيل البوليمرات الموصلة أو النشطة حيويًا، والمحاذاة المناسبة للألياف، وبنية مسام متوازنة لتسهيل اختراق الخلايا ونقل المغذيات. على الرغم من التقدم في فهم مساهمات هذه العناصر التصميمية، إلا أن تكاملها لا يزال معقدًا. يجب أن تهدف الأبحاث المستقبلية إلى تطوير أنظمة هجينة متطورة تجمع بين الخصائص الفيزيائية المثلى مع التعزيزات البيولوجية، في النهاية تسعى لإنشاء أنسجة قلبية وظيفية يمكن أن تحاكي الاستجابات الأصلية لتطوير الأدوية والتطبيقات العلاجية.
الطرق
في مجال هندسة الأنسجة القلبية، يمتد اختيار مواد الدعائم إلى ما هو أبعد من التوافق الحيوي وقابلية التحلل ليشمل تكرار خصائص مصفوفة القلب خارج الخلية الأصلية (ECM)، مثل التباين الهيكلي والتوصيل الكهربائي. تفضل التطورات الحديثة المواد الهجينة متعددة الوظائف التي تجمع بين البوليمرات الاصطناعية والمكونات الحيوية الطبيعية والعناصر الموصلة لتحقيق محاكاة وظيفية لعضلة القلب. لقد ظهرت البوليمرات الموصلة، على وجه الخصوص، كعنصر محوري في تعزيز الترابط الكهربائي بين خلايا القلب (CMs)، مما يسهل تحسين التزامن والنضوج لخلايا القلب المستمدة من الخلايا الجذعية متعددة القدرات المستحثة (hiPSC-CMs). تشير الدراسات إلى أن الدعائم ذات الموصلية المتزايدة لا تعزز فقط انتشار الإشارات الكهربائية ولكن أيضًا تعزز استطالة الخلايا وتخليق ECM، مما يؤثر بشكل كبير على وظيفة CM.
أظهرت الأبحاث أن الأنظمة المنسوجة بالكهرباء أو المستندة إلى الهيدروجيل التي تتضمن مواد مثل بولي أنيلين (PANi)، بولي بيرول (PPy)، وبولي (3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين): بولي ستيرين سلفونات (PEDOT:PSS) يمكن أن تخلق مسارات موصلة تعزز سرعات التوصيل والتعامل مع الكالسيوم في hiPSC-CMs. ومن الجدير بالذكر أن هيدروجيل الكولاجين-PEDOT:PSS أظهر فعالية مضادة للاضطرابات في الجسم الحي، مما يعزز من إمكانيات المواد الحيوية الناعمة والموصلة في استقرار وظيفة القلب بعد النوبة القلبية. لقد تقدم تطوير الدعائم الهجينة، مثل تلك التي تجمع بين PEDOT:PSS مع الجيلاتين أو التي تتضمن أنابيب الكربون النانوية (CNTs) ومشتقات الجرافين، المجال من خلال تحسين الموصلية مع الحفاظ على توافق الخلايا. تؤكد هذه الابتكارات على أهمية دمج التحفيز الكهربائي خلال الثقافة في المختبر لتعزيز أداء الهياكل القلبية المهندسة، مما يقترب من أنسجة قلب صناعية قابلة للاستخدام للتطبيقات العلاجية.
المناقشة
تؤكد قسم المناقشة في ورقة البحث على أهمية المحاكاة الحيوية في هندسة عضلة القلب البشرية، مشددة على أهمية تكرار الخصائص الهيكلية والوظيفية للأنسجة القلبية الأصلية. تهدف الأساليب البيوميميتية في هندسة الأنسجة إلى إنشاء مواد ودعائم تشبه عن كثب مصفوفة القلب خارج الخلية (ECM) للقلب، وهو أمر ضروري لتوفير الدعم الميكانيكي والبيوكيميائي اللازم لخلايا القلب. تعتبر التنظيم الهيكلي المعقد لعضلة القلب، التي تتكون من أنواع خلايا مختلفة وECM عالي التباين، أمرًا حيويًا للتقلص الفعال ونقل القوة. تؤكد الدراسة على أنه يجب أن تحاكي الأنسجة المهندسة الخصائص الميكانيكية والكهربائية الفريدة للقلب لتعزيز النضوج الوظيفي والاندماج.
كما تم مناقشة الخصائص الكهروميكانيكية لعضلة القلب، مشيرة إلى أن كل من القوى الميكانيكية النشطة والسلبية تلعب أدوارًا حيوية في وظيفة القلب. تسلط الورقة الضوء على أن صلابة ومرونة عضلة القلب هما معلمتان حاسمتان تؤثران على تطوير القلب وتكيفه مع الإجهاد. علاوة على ذلك، فإن دور الموصلية الكهربائية، التي تتوسطها الوصلات الفجوية والبيئة الأيونية لخلايا القلب، أمر أساسي لانتشار إمكانات العمل. تشير النتائج إلى أن الأنسجة القلبية المهندسة يجب أن تحاكي هذه البيئات الكهروميكانيكية لتحقيق أداء مثالي.
أخيرًا، تم توضيح مزايا الدعائم ثلاثية الأبعاد (3D) على الثقافات التقليدية ثنائية الأبعاد (2D)، مشددة على أن الهياكل ثلاثية الأبعاد تدعم بشكل أفضل التنظيم الطبيعي ووظيفة خلايا القلب. بينما تعزز النماذج ثلاثية الأبعاد سلوك الخلايا ونضوج الأنسجة، يجب معالجة التحديات مثل تعقيد التصنيع، والتكلفة، وتوصيل المغذيات. تختتم الورقة بأن تطوير دعائم متوافقة حيويًا ومماثلة هيكليًا أمر حاسم لتقدم هندسة الأنسجة القلبية، مما يؤدي في النهاية إلى تحسين النماذج للأبحاث والتطبيقات العلاجية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2026.1711698
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41743838
Publication Date: 2026-02-10
Author(s): Raminta Vaičiulevičiūtė et al.
Primary Topic: Tissue Engineering and Regenerative Medicine
Overview
Electrospun nanofibers represent a promising avenue for cardiac tissue engineering, effectively mimicking the architecture of the native myocardial extracellular matrix (ECM). This review highlights key design parameters that influence cardiomyocyte (CM) function and maturation on these scaffolds, such as fiber diameter, material composition, alignment, and pore architecture. Notably, advancements in conductive polymers and hybrid materials have shown potential in enhancing electrical coupling and the maturation of stem cell-derived cardiomyocytes. However, challenges persist, particularly in achieving full maturation of CMs, especially concerning calcium handling and metabolic properties.
The review emphasizes that while biomimetic scaffolds and electrospun nanofibers offer significant capabilities for CM culture and cardiac tissue engineering, successful clinical translation necessitates careful optimization of design factors. Ideal fiber diameters range from 200 to 400 nm, with a preference for conductive or bioactive polymers, appropriate fiber alignment, and a balanced pore architecture to facilitate cell infiltration and nutrient transport. Despite progress in understanding the contributions of these design elements, their integration remains complex. Future research should aim to develop sophisticated hybrid systems that combine optimal physical properties with biological enhancements, ultimately striving to create functional cardiac tissues that can replicate native responses for drug development and therapeutic applications.
Methods
In the realm of cardiac tissue engineering, selecting scaffold materials extends beyond biocompatibility and degradability to encompass the replication of the native myocardial extracellular matrix (ECM) characteristics, such as structural anisotropy and electrical percolation. Recent advancements favor multifunctional hybrid materials that combine synthetic polymers with natural bioactive components and conductive elements to achieve functional mimicry of the myocardium. Conductive polymers, in particular, have emerged as pivotal in enhancing electrical coupling among cardiomyocytes (CMs), facilitating improved synchronization and maturation of human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs). Studies indicate that scaffolds with increased conductivity not only enhance electrical signal propagation but also promote cell elongation and ECM synthesis, thereby significantly influencing CM functionality.
Research has demonstrated that electrospun or hydrogel-based systems incorporating materials like polyaniline (PANi), polypyrrole (PPy), and poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) can create percolative pathways that enhance conduction velocities and calcium handling in hiPSC-CMs. Notably, a collagen-PEDOT:PSS hydrogel has shown in vivo antiarrhythmic efficacy, reinforcing the potential of soft, conductive biomaterials in stabilizing cardiac function post-infarction. The development of hybrid scaffolds, such as those combining PEDOT:PSS with gelatin or incorporating carbon nanotubes (CNTs) and graphene derivatives, has further advanced the field by optimizing conductivity while maintaining cytocompatibility. These innovations underscore the importance of integrating electrical stimulation during in vitro culture to enhance the performance of engineered cardiac constructs, moving closer to viable artificial heart tissues for therapeutic applications.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the significance of biomimicry in the engineering of human myocardium, highlighting the importance of replicating the structural and functional characteristics of native cardiac tissues. Biomimetic approaches in tissue engineering aim to create materials and scaffolds that closely resemble the extracellular matrix (ECM) of the heart, which is essential for providing the necessary mechanical and biochemical support to cardiac cells. The myocardium’s complex structural organization, comprising various cell types and a highly anisotropic ECM, is crucial for efficient contraction and force transmission. The study underscores that engineered tissues must mimic the unique mechanical and electrical properties of the heart to promote functional maturation and integration.
The electromechanical properties of the myocardium are also discussed, noting that both active and passive mechanical forces play vital roles in cardiac function. The paper highlights that myocardial stiffness and elasticity are critical parameters that influence cardiac development and adaptation to stress. Furthermore, the role of electrical conductivity, mediated by gap junctions and the ionic environment of cardiac myocytes, is essential for the propagation of action potentials. The findings suggest that engineered cardiac tissues should replicate these electromechanical environments to achieve optimal performance.
Lastly, the advantages of three-dimensional (3D) scaffolds over traditional two-dimensional (2D) cultures are articulated, emphasizing that 3D architectures better support the natural organization and function of cardiac cells. While 3D models enhance cell behavior and tissue maturation, challenges such as fabrication complexity, cost, and nutrient delivery must be addressed. The paper concludes that the development of biocompatible and structurally mimetic scaffolds is crucial for advancing cardiac tissue engineering, ultimately leading to improved models for research and therapeutic applications.